Le collisioni satellitari danno origine a detriti; guarda questo video per maggiori informazioni. Credito:ESA/ID&Sense/ONiRiXEL, CC BY-SA 3.0 IGO, CC BY-SA 3.0 IGO
I satelliti in orbita attorno alla Terra si muovono a molti chilometri al secondo, quindi cosa succede quando i loro percorsi si incrociano? Le collisioni satellitari sono rare, e le loro conseguenze poco comprese, così un nuovo progetto cerca di simularli, per una migliore previsione dei futuri detriti spaziali.
Finora nella storia dei voli spaziali si sono verificate solo quattro di queste collisioni – la maggior parte dei detriti spaziali deriva da esplosioni di serbatoi o batterie di propellente rimasti – ma si prevede che diventino più comuni.
"Vogliamo capire cosa succede quando due satelliti si scontrano, " spiega l'ingegnere strutturista ESA Tiziana Cardone, supervisione del progetto.
"Finora sono state fatte molte ipotesi su come si dissiperebbe l'elevata energia di collisione, ma non abbiamo una solida comprensione della fisica coinvolta.
"Vogliamo essere in grado di visualizzare in dettaglio come si disgregherebbero i satelliti, e quanti pezzi di detriti verrebbero prodotti, per migliorare la qualità dei nostri modelli e previsioni".
L'energia totale coinvolta è ordini di grandezza superiore alla tipica ingegneria strutturale per lo spazio, che si concentra sul sopportare la violenza del lancio. "Questo è davvero un territorio sconosciuto, "aggiunge Tiziana.
"Dobbiamo avere questa comprensione perché stiamo attualmente lavorando su costose strategie di mitigazione dei detriti basate sulla nostra comprensione del comportamento dei detriti, " spiega Holger Krag dello Space Debris Office dell'ESA. "Stiamo proiettando l'evoluzione dell'ambiente dei detriti fino a 200 anni avanti.
"Delle quattro collisioni conosciute, solo uno di loro si è svolto nel modo in cui ci aspettavamo, con entrambi i satelliti che si rompono catastroficamente, generando nuvole di detriti. Gli altri erano molto diversi, quindi c'è qualcosa che manca dalla nostra foto.
"Eseguendo molte diverse varianti di collisione, speriamo di capire cosa è successo durante le collisioni effettive, per aiutare a corroborare il nostro modello."
Sono in corso due diversi tipi di simulazioni software:presso il Fraunhofer Institute for High-Speed Dynamics in Germania e l'altro presso un consorzio guidato dal Centro di studi e attività per lo spazio dell'Università di Padova in Italia.
Il primo approccio si basa su un sofisticato metodo numerico per simulare i processi di deformazione e frammentazione in caso di collisione. Gli oggetti in collisione sono modellati con proprietà strutturali e meccaniche realistiche, rappresentato da una 'mesh ad elementi finiti'.
Istantanea di una collisione simulata tra un modello del satellite LOFT (Large Observatory For X-ray Timing) e un CubeSat da 12 unità, muovendosi con una velocità relativa di 11 km/s e colpendo con un angolo di 32 gradi. LOFT è una missione ESA Science candidata in competizione per un'opportunità di lancio nei primi anni 2020. Al Fraunhofer Institute for High Speed Dynamics, gli oggetti in collisione sono simulati a livello di materiale con proprietà strutturali e meccaniche realistiche, rappresentato da una "mesh ad elementi finiti". Questi elementi vengono convertiti in particelle discrete man mano che la struttura si frammenta. Ciò consente la simulazione della risposta strutturale di un satellite alla collisione e prevede la nube di frammenti generati dall'impatto, così come la sua evoluzione nel tempo. Credito:ESA/Fraunhofer Institute for High-Speed Dynamics
Questi elementi vengono convertiti in particelle discrete man mano che i satelliti si frammentano. Ciò consente la simulazione della risposta strutturale dei satelliti alla collisione e la generazione della nuvola di frammenti, e la sua evoluzione nel tempo.
Il secondo approccio tratta il veicolo spaziale come composto da elementi più grandi, come pannelli, carico utile, serbatoi di propellente o pannelli solari, collegato insieme a collegamenti fisici. Quando avviene il trasferimento di energia dell'urto, questi collegamenti sono spezzati e gli elementi sono frammentati. Viene applicata una libreria di simulazioni precedenti e dati empirici per mostrare come questi elementi si frammentano sotto la forza dell'impatto.
Un metodo di simulazione alternativo, che mostra una sfera in lega di alluminio di 5 cm che colpisce il satellite LOFT LOFT (Large Observatory For X-ray Timing) a una velocità di 8,5 km/se un angolo di impatto di 45 gradi. LOFT è una missione ESA Science candidata in competizione per un'opportunità di lancio nei primi anni 2020. Questo approccio a livello di componenti, intrapresa da un consorzio guidato dal Centro Studi e Attività per lo Spazio dell'Università di Padova in Italia, tratta il veicolo spaziale come composto da elementi più grandi, come pannelli, carico utile, serbatoi di propellente o pannelli solari, collegato insieme a collegamenti fisici. Quando avviene il trasferimento di energia dell'urto, questi collegamenti sono spezzati e gli elementi sono frammentati. Viene applicata una libreria di simulazioni precedenti e dati empirici per mostrare come questi elementi si frammentano sotto la forza dell'impatto. Credito:ESA/Centro di studi e attività per lo spazio
I due tipi di simulazione insieme - operanti a livello di materiale e componente - dovrebbero fornire nuove informazioni sulla fisica sottostante delle collisioni, ma ha iniziato imitando gli effetti di un singolo detrito, il tipo di collisione che può essere simulato fisicamente nei laboratori terrestri.
Una volta che queste simulazioni duplicano la realtà osservata, poi saranno utilizzati per riprodurre interi impatti di satelliti della scala di 500 kg.
Simulazione di un impatto ipervelocitario di una sfera su una superficie satellitare. Al Fraunhofer Institute for High-Speed Dynamics Approach, un sofisticato metodo numerico viene utilizzato per simulare i processi di deformazione e frammentazione della collisione. Questo approccio consente una simulazione fisicamente coerente, che concorda molto bene con i risultati sperimentali. Credito:ESA/Fraunhofer Institute for High-Speed Dynamics
La prima collisione nota è avvenuta nel 1991, quando il Cosmos 1934 della Russia fu colpito da un pezzo di Cosmos 926. Poi, nel 1996, Il satellite francese Cerise è stato colpito da un frammento di un razzo Ariane 4. Nel 2005 uno stadio superiore degli Stati Uniti è stato colpito da un frammento del terzo stadio di un razzo cinese. Nel 2009 un satellite Iridium è entrato in collisione con il Cosmos-2251 della Russia.
